應用卸荷支路提高風電系統(tǒng)低電壓穿越能力研究

孟慶天閆志海李莉美

（1.內(nèi)蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.鄂爾多斯電業(yè)局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010 3.內(nèi)蒙古電力勘測設計院，呼和浩特 010020）

隨著全球經(jīng)濟社會不斷的發(fā)展，人們對能源的需求越來越多，這與地球有限的化石能源儲量相矛盾，現(xiàn)在在全球范圍內(nèi)正在爆發(fā)能源危機。以此為契機在全球范圍內(nèi)以風電、光伏發(fā)電為代表的可再生能源得到巨大的發(fā)展。但是風電的發(fā)展還存在很多技術上的缺陷，比如很多風電機組不具備低電壓穿越的能力。

1 直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)分析

直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的能量轉化過程是，首先通過風力機把自然界中的風能轉化成機械能，機械能再被永磁同步發(fā)電機轉化成電能。發(fā)電機發(fā)出的有功功率sP被變流器整流后注入直流側電容中，假設電力電子器件是理想器件沒有損耗，永磁同步發(fā)電機發(fā)出的有功功率與注入直流側功率相等[1]。表達式為

式中，usd為發(fā)電機定子d軸電壓，usq為發(fā)電機定子q軸電壓，isd為發(fā)電機定子d軸電流，isq為發(fā)電機定子q軸電流。udc為直流側并聯(lián)的電容電壓，is為整流器輸出到直流側電容的電流。

背靠背全功率變流器中間直流側并聯(lián)的電容表達式為

式中，C為直流側并聯(lián)的電容，ig為流出直流側并聯(lián)電容的電流。

直流側向網(wǎng)側輸出的功率為

為了能夠讓直流側左右兩端功率匹配，即Ps=Pg，直流側電容電壓應是一定值。在網(wǎng)側采用電壓定向雙閉環(huán)控制方法，電流內(nèi)環(huán)，直流側電容電壓外環(huán)，構成雙閉環(huán)。當外界風速發(fā)生較大變化時，發(fā)電機發(fā)出的功率將會急劇增加，在很短的時間內(nèi)，網(wǎng)側變流器不能完全吸收機側變流器發(fā)出的全部功率，多余的能量就被儲存在直流側電容中，電容電壓會增高[2]。

把網(wǎng)側電力電子器件和并網(wǎng)電抗器假設為理想器件，忽略所有損耗，那么直流側向網(wǎng)側逆變器注入的功率與網(wǎng)側逆變器輸入到電網(wǎng)的功率相等，表達式為

式中，egd為電網(wǎng)電壓d軸分量，egq為電網(wǎng)電壓q軸分量，igd為電網(wǎng)電流d軸分量，igq為電網(wǎng)電壓q軸分量。

接下來對直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)發(fā)生故障,電網(wǎng)電壓跌落時的暫態(tài)過程進行分析。電網(wǎng)電壓跌落時，為使逆變器向電網(wǎng)注入的功率不變，流過電力電子器件的電流值會變大，但是電力電子器件有內(nèi)阻，熱容量有限。在流過的電流值過大時，會造成器件燒毀。因此必須對流過電力電子器件的最大電流值進行限制，防止過電流的發(fā)生，那么逆變器注入電網(wǎng)的功率就會降低。此時如果發(fā)電機向直流側電容注入的功率不減小，直流側電容電壓會升高。因此機側整流器也相應的做出動作，調(diào)低發(fā)電機發(fā)出功率，相應的發(fā)電機電磁轉矩也變小。如果風速不變，風力機機械轉矩不變，永磁同步發(fā)電機的轉子轉速會上升，這時風機漿距角必須變大，降低風能利用系數(shù)，達到功率匹配。當電網(wǎng)故障、電壓跌落的時間很短時，發(fā)電機轉子轉速因為慣性不會變化的太多，發(fā)電機向外輸出能量幾乎不變。當電網(wǎng)故障持續(xù)較長時間時，發(fā)電機轉子轉速會變高，同時漿距角會變大來制約轉子轉速的提高，但是漿距角的變化很慢，很難在較短時間達到理想效果。因此，當風電機組并網(wǎng)點電壓跌落時，會影響直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的各個單元，做出反應需要較長時間，并且在電網(wǎng)電壓恢復后不利于迅速恢復正常工作[3]。

綜合分析，采用在機組直流側并聯(lián)卸荷支路來消耗直流側多余能量的方法來提高機組低電壓穿越能力較為理想。在電網(wǎng)故障，電網(wǎng)電壓跌落，直流母線電容兩端功率不匹配時，讓卸荷支路工作，維持直流側電容電壓穩(wěn)定。在這期間風力機、發(fā)電機、機側網(wǎng)側變流器都不會被影響，很大程度上消除了電網(wǎng)電壓跌落對系統(tǒng)的影響。當電網(wǎng)電壓恢復到正常值后，系統(tǒng)可以迅速恢復正常[4]。

2 目前直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)低電壓穿越的幾種方法

電網(wǎng)電壓跌落時經(jīng)常會使直流母線電壓過高，目前直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越采取的主要措施有[5]：①選擇過流和耐壓值較大的電力電子功率器件，同時選用耐壓值較高的直流側電容；②改進直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)控制策略；③采用變漿距控制。其中方法①、②可以提高直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力，但是當電網(wǎng)電壓跌落的幅值非常大時采用上述兩種方法就很難實現(xiàn)其低電壓穿越。通常電網(wǎng)電壓跌落的時間較短(≤1s)[6]，但方法③的動態(tài)響應較慢。所以需要在直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的直流側增加相應的硬件電路，以提高其低電壓穿越能力。較理想的方式是在直流母線（DC-link）上接卸荷支路。雖然當電網(wǎng)電壓跌落時，風電機組機側網(wǎng)側不平衡的能量會被卸荷電阻消耗掉，但是電網(wǎng)故障發(fā)生的幾率很小，即使發(fā)生持續(xù)時間也非常短。全年消耗掉的功率與輸送的功率相比是微乎其微的。

3 在直流側添加卸荷支路以提高風電機組低電壓穿越能力

采用在直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)直流側添加卸荷支路的方法消耗多余的能量以解決能量的不匹配問題。如圖1所示，卸荷支路一般由控制支路、卸荷電阻、電力電子功率器件構成。為了使直流側兩端能量實現(xiàn)匹配，通過控制電力電子功率器件導通與關斷達到控制卸荷電阻投入和切出，最終實現(xiàn)直流側電容電壓穩(wěn)定的目的[7]。

圖1 直流側添加卸荷支路的直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)

方程（5）為控制直流側電容電壓的方程

式中，Pin為直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)定子側向直流側輸入的有功功率；Pout為直流側向電網(wǎng)側輸出的有功功率?？梢杂霉剑?）來求卸荷支路的導通占空比[8]

式中，Rd為卸荷電阻；d為電力電子功率器件在1s內(nèi)導通的時間。當直流側電容電壓升高，輸入輸出能量不平衡時，讓卸荷電阻把不平衡能量的絕對值消耗掉。當ΔP在限定的幅值內(nèi)時，卸荷電阻不消耗能量，此時d=0；當ΔP超出特定幅值時，立刻投入卸荷電阻工作，此時0＜d＜1；當Udc超出特定范圍時，取d=1，完全投入卸荷支路工作。美國專利6819535[9]，采用直流側電壓值作為電力電子功率器件導通與關斷的判斷條件，把直流側參考電壓與實際電壓的差值輸入PI調(diào)節(jié)器，從而控制電力電子功率器件的導通占空比，如圖2所示。

圖2 卸荷支路Pl調(diào)節(jié)控制框圖

4 卸荷支路電阻值計算

卸荷支路上電阻的阻值與直流側電容允許的最高電壓和需要消耗的多余能量相關。以國家電網(wǎng)為參照標準，并網(wǎng)點電壓跌落至系統(tǒng)額定電壓的20%及以上時，風機必須并網(wǎng)，當?shù)陀谙到y(tǒng)額定電壓的20%時，風機可以與電網(wǎng)解列[10]。以并網(wǎng)點電壓跌落至電網(wǎng)電壓的20%，直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)額定容量為1.5MW，直流側電容額定電壓1.2kV，電阻阻值的計算式如式（7）所示。

此文中，卸荷支路電阻值選取此值。

5 仿真分析

根據(jù)前面的分析與設計，將兆瓦級直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)在PSCAD/EMTDC環(huán)境下進行仿真，風機額定風速為11.5(m/s)，風機額定容量為1.5MW。系統(tǒng)其他主要參數(shù)：直流母線參考電壓為1200V，機組額定電壓690V，極對數(shù)N=139，額定頻率為50Hz，定子電阻 Ra=0.001Ω ，電感 La=0.0015H，直流側電容 C=48000μF。連接電抗器電阻 R=0.0012Ω ，電感L=0.0005H。并網(wǎng)變壓器低壓側線電壓為690V。

仿真模型運行在1s時電網(wǎng)發(fā)生對稱三相短路故障，電網(wǎng)電壓由原來的690V跌落到138V，跌落到20%，跌落時長0.625s。這是國家電網(wǎng)公司規(guī)定的維持并網(wǎng)，最嚴重的電壓跌落情況。單相電壓跌落情況如圖3所示。單相電壓幅值是563V，在1.0s時發(fā)生電網(wǎng)故障，電網(wǎng)電壓跌落，幅值為113V，跌落時長是0.625s。圖4所示為在沒有為直驅(qū)風電機組直流側添加卸荷支路時電網(wǎng)發(fā)生對稱三相電壓短路故障時機組的直流側電容電壓和向電網(wǎng)注入有功功率的仿真波形。從圖4（a）可見，電網(wǎng)電壓在1s時跌落，直驅(qū)永磁同步風電系統(tǒng)直流母線電壓升高大約1300V，實際中會把電容器燒毀；注入電網(wǎng)的有功功率減小，如圖4（b）所示，在1.625s時開始趨于穩(wěn)定。圖5所示為在為機組直流側添加卸荷支路后，電網(wǎng)發(fā)生對稱三相電壓短路故障時機組的直流側電容電壓和向電網(wǎng)注入有功功率的仿真波形圖。電網(wǎng)電壓在1s時跌落，從圖 5（a）、（b）可見，直流側電容電壓一直較好的維持在1200V左右，沒有受到電網(wǎng)電壓故障的影響。系統(tǒng)向電網(wǎng)注入有功功率減小到20%，減小的功率全部由卸荷支路電阻消耗。

圖3 電網(wǎng)相電壓跌落圖

圖4 電網(wǎng)故障情形

圖5 應用卸荷支路提高風電系統(tǒng)低電壓穿越能力

6 結論

本文采用在直流側添加卸荷支路的方法提高直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力。當電網(wǎng)電壓跌落，通過控制卸荷支路，來消耗直流側積聚的過多能量，保護電容不被燒毀，防止風電機組脫網(wǎng)事故的發(fā)生。通過對仿真波形的分析我們可以知道應用卸荷支路法可以很好的提高直驅(qū)永磁同步風電系統(tǒng)的低電壓穿越能力。

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